4月17日，國際頂尖學術期刊Science在線發表由中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心、杭州華大生命科學研究院、華南理工大學、澳大利亞莫納什大學等中外團隊聯合完成的靈長類腦科學重大突破。

在這篇題為“An opposing molecular gradient axis underlies primate cortical organization”的成果里，研究團隊介紹了首次在狨猴腦中發現Pr-Al對立分子梯度軸，成功統一學界爭論數十年的兩大理論。

論文第一作者黃智為華南理工大學2018級生物工程本科生，2021年加入華南理工大學-華大創新班，現為博士生。

論文并列共一作者李生龍為華南理工大學2019級生物工程本科生，2022年加入華南理工大學-華大創新班，現為碩士生。

論文共同通訊作者郝世杰博士為華南理工大學生物科學與工程學院博士后；

論文共同通訊作者劉龍奇研究員為華南理工大學生物科學與工程學院2006級生物技術專業本科校友。

該成果4位作者為華工人（來自Science官網）

研究背景

大腦皮層的擴張與精細化分工，是靈長類動物演化出高級認知功能的生物學基礎。從感知、運動到情緒、記憶與決策，所有高級功能都依賴皮層的有序構建與精準連接。但這顆神奇的大腦，到底是怎么長成如今的樣子的？

百余年來，科學界對大腦皮層“從哪里來、如何長成”一直存在兩大經典理論：雙起源假說認為，皮層由兩種古老的皮層區域（梨狀皮層、海馬體）逐步向外擴展分化而來；分子錨定假說則提出，初級感覺皮層（視覺、聽覺、體感）作為早期確定的“分子錨點”，引導周邊區域逐步分化形成功能分區。兩大理論均有解剖與發育證據支撐，卻長期難以兼容，成為腦科學領域懸而未決的核心爭議。

PART 01

狨猴全腦單細胞多模態圖譜的構建

為破解這一科學難題，研究團隊選擇狨猴作為理想模式動物，依托我國自主研發的時空組學技術Stereo-seq，結合單核RNA測序、多模態磁共振神經成像與神經元逆向示蹤技術，構建了全球首個狨猴全腦單細胞空間轉錄組+神經連接+功能影像的三維整合腦圖譜。

這一高精度圖譜首次實現分子表達、細胞類型、神經環路、解剖分區與功能網絡的多維度精準對齊，讓研究團隊得以在全腦尺度系統解析皮層構建的底層邏輯，相關數據已公開提交至CNGBdb（MCCSTA數據庫Spatial clustering - MCCSTA）。

狨猴的3D多模態皮層圖譜

PART 02

大腦皮層中兩種相反的分子梯度

基于超高精度腦圖譜，團隊取得突破性發現：靈長類大腦皮層并非遵循單一中心起源模式，而是由兩條相向而行、相互拮抗的對立分子梯度軸共同塑造，這一核心組織原則被命名為Pr?Al對立分子梯度軸。

其中，Pr梯度以初級感覺皮層（視覺、聽覺、體感皮層）為錨點，與分子錨定假說類似，向外輻射延展，主要負責外界感知信息的接收、處理與傳遞；Al梯度以古皮層與邊緣皮層（內嗅皮層、梨狀皮層）為起源，與雙起源假說對應，向聯合皮層區域延伸，主要參與內部狀態調控、情緒加工、記憶編碼與高級認知整合。兩條梯度在空間上彼此對立、在功能上互補協同，共同定義了皮層的分子身份、細胞排布與區域邊界。

Pr和Al梯度分布的細胞

Pr-Al軸的發現，首次從分子層面回答了靈長類高級聯合皮層從何而來的關鍵問題。研究證實，聯合皮層并非簡單的延伸區域，而是Pr梯度與Al梯度持續延伸、相向交匯、疊加融合的產物。梯度交匯區形成獨特的分子交界帶，成為前額葉、默認模式網絡等高級中樞的發育源頭，直接支撐抽象思維、社會認知、決策與自我意識等高階功能。這一機制揭示了靈長類皮層擴張的核心演化策略：通過雙梯度延伸與交匯，不斷生成新的功能區域，實現認知能力的逐級躍升。

更重要的是，研究證實Pr-Al軸并非局限于大腦皮層，而是貫穿丘腦、紋狀體等全腦核團的統一組織法則。丘腦（Thalamus）作為皮層的關鍵“中繼站”，其基因表達與神經投射嚴格遵循Pr-Al拓撲結構：Pr端錨定感覺-運動相關丘腦核團，Al端錨定邊緣系統與記憶相關核團，形成高度協同的“皮層-丘腦”演化單元。

狨猴的Pr-Al index

PART 03

人類與狨猴聽覺皮層的趨同演化

此外，在Pr?Al統一框架下，團隊還獲得一項意外而重要的發現：狨猴聽覺皮層的分子特征與人類高度相似，相似度顯著高于獼猴。二者共享大量聽覺?發聲調控相關基因與細胞類型排布模式，提示獨立演化的趨同機制。這一發現確立狨猴為研究人類語言起源、言語發育障礙、自閉癥及社交溝通相關疾病的理想動物模型，突破了長期以來靈長類模型選擇的局限。

人類和狨猴在聽覺皮層有相似的基因表達

本研究依托我國自主時空組學技術完成，實現了從技術平臺到科學理論的全面突破。它不僅終結了雙起源假說與分子錨定假說的百年爭議，更建立起一套從分子→細胞→核團→網絡→演化的全層級、跨尺度腦構建理論。這一框架為解析自閉癥、精神分裂癥、阿爾茨海默病等以皮層發育與連接異常為特征的腦疾病提供全新診斷標尺與干預靶點，也為更接近生物大腦的類腦計算架構與人工智能系統提供了天然的設計藍圖。

從破譯皮層構建密碼到解鎖高級認知起源，這項成果再次證明，時空組學技術正在為理解生命最復雜器官打開全新大門，也讓中國在腦演化與腦認知科學領域持續走在國際前沿。

華南理工大學-深圳華大基因研究院

基因組科學創新班

華南理工大學-深圳華大基因研究院基因組科學創新班于2009年3月招收首屆學生，由華南理工大學與深圳華大基因研究院合作共同開展本科生、研究生的聯合培養，主要面向華南理工大學所有理工類專業3年級本科生進行學生的選拔與招收。作為基因組學與生物信息學交叉學科人才培養的全新嘗試，創新班學生在雙方老師的悉心指導和校企平臺的強力支撐下，實現了多項“0”的突破，成為拔尖創新人才培養“華工模式”的典型代表。

據統計，截至目前，已有17屆共145名華南理工學子加入基因組科學創新班，先后共有164人次以第一作者、并列第一作者或署名作者身份在國際學術期刊上發表研究成果137篇。其中，70人次以第一作者、共同第一作者或署名作者身份在Nature、Science、Cell等國際頂尖學術期刊及其子刊上發表高水平論文共45篇。

華南理工大學　學生記者團

信息來源： 生物科學與工程學院

微信編輯：鮑恩 楊曉霓

初審：冀早早

二審：盧慶雷

終審：夏正林

華工原創，版權所有

若需轉載，敬請聯絡

郵箱：hgxcb@scut.edu.cn

“分享”“點贊”“在看”，記得一鍵三連哦